元坝须三段致密含钙砂砾岩地层测井响应特征及岩性识别方法

南泽宇， 谭茂金， 张延华， 肖开华， 刘志远

(1.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院， 北京 100083； 2.中国石化石油勘探开发研究院， 北京 100083；3.中国石油股份有限公司青海油田分公司勘探开发研究院， 敦煌 736200)

川东北元坝地区须家河组须三段致密含钙砂砾岩储层已申报552亿m3控制储量，区内ML7、ML12井在含砾钙屑砂岩中获得高产工业气流，展示了较好的开发前景[1]，然而实践表明，该气藏虽然钻井普遍见明显气测异常，具有“大面积分布，整体含气”的岩性气藏特征[2]，但单井产能差异大，平均单井累产低、储量动用难。由于须三段致密含钙砂砾岩地层压实、胶结作用强，整体呈现低孔隙度(平均1.95%)和低渗透率(平均0.082 mD)特征，基质物性对产能控制弱[3]，裂缝、岩性对储层控制强，而裂缝分布又受岩性控制[4]。因此如何准确识别地层岩性，找出有利岩性段是该类气藏有效开发的关键[5]。

含钙砂砾岩地层沉积相类型主要为辫状河三角洲平原-前缘[6]，岩心观察、薄片鉴定表明主要岩石类型为泥岩、煤、含砂砾岩、砂质砾岩、中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩、常规岩屑砂岩及炭质砂岩。其中，钙屑砂岩是岩屑砂岩的一种特殊形式，指岩屑砂岩中碳酸盐岩岩屑(盆外陆源沉积物)含量大于总岩屑含量50%者[7-8]。前人研究表明，须三段中-粗粒钙屑砂岩物性、含气性及产能明显好于其他岩性，岩性对储层具有重要控制作用[2,9-10]。测井资料分辨率高、对岩性敏感，是岩性识别的有效手段[11-12]，如何利用测井识别中-粗粒钙屑砂岩成为须三段含钙砂砾岩储层评价的基础[13-15]。

前人针对致密含钙砂砾岩地层建立了一系列岩性识别方法。司马立强等[14]总结了钙屑砂岩测井曲线呈低伽马、低声波、高电阻率特征。程洪亮等[16]依据沉积水动力条件、粒度、碳酸盐岩含量等将钙屑砂岩分为三类，归纳了各类钙屑砂岩常规测井、成像测井响应特征，但未涉及岩性识别方法。缪祥禧等[5]、袁子龙等[17]提出了成像测井砂砾岩、钙屑砂岩、常规岩屑砂岩识别方法，但未给出常规测井岩性识别方法，适用范围受限。肖开华等[2]提出了砾岩、砂砾岩、钙屑砂岩、常规岩屑砂岩、泥岩等常规测井识别标准，但砾岩识别标准简单，只能识别出高阻砾岩，不能识别中-高阻砾岩，且不能确定钙屑砂岩粒度，不利于区分含气潜力高的中-粗粒钙屑砂岩及潜力低的钙屑粉砂岩。

现基于薄片鉴定资料，建立基于常规测井的致密含钙砂砾岩地层岩性识别方法。采用先易后难、逐级剥离的思想，首先将岩石类型分为煤、泥岩、砾岩、砂岩四大类，然后将砾岩细分为含砂砾岩、砂质砾岩两小类，将砂岩细分为中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩、炭质砂岩四小类，最终实现含钙砂砾岩地层四大类八小类岩性精确识别。

1 元坝须三段地层岩石类型及测井响应特征

元坝须三段含钙砂砾岩地层岩石类型多样，发育有泥岩、砂岩、砾岩，偶见煤及黄铁矿。其中砂岩石英、长石含量低，依据Folk分类方案，以岩屑砂岩为主，岩屑以碳酸盐岩岩屑为主，多为钙屑砂岩；砾岩以碳酸盐岩砾石为主。岩心、薄片观察到的岩石类型、定名标准、岩心照片及测井特征如表1所示。

表1 元坝地区须三段含钙砂砾岩地层岩石分类标准、岩心照片及测井特征Table 1 Lithology classification standard, photograph and well logging characteristics of calcarenaceous sandy conglomerate formation of the 3rd member of Xujiahe formation in Yuanba area

测井上砾岩呈高电阻、高密度、低中子特征。由于碳酸盐岩砾石电导率低、密度大、结构致密，随砾石含量增高，砾岩电阻率增大，密度增大，中子测井值降低。钙屑砂岩呈高电阻、低伽马、低中子特征。随粒度变细，伽马、中子测井值增大、电阻率降低。因为细粒岩石颗粒比表面积大，沉积过程中更易吸附铀、钍、钾等放射性元素，且搬运距离长，较粗粒岩石有更长的与放射性元素接触时间，细粒岩石伽马较高；同时细粒岩石毛管半径小，毛管水含量高，且比表面积大，亲水岩石颗粒表面薄膜水含量高，中子测井值较高；毛管水、薄膜水含量增加也导致细粒岩石电阻率较低。常规岩屑砂岩呈中-高伽马、低电阻、中中子特征。炭质砂岩呈较低密度、较高声波时差及较高中子特征。煤呈低密度、高声波时差、高中子特征。泥岩呈高伽马、高中子、低电阻特征。

结合各岩石类型常规测井响应特征，将含钙砂砾岩地层分为砾岩、砂岩、煤、泥岩四大类岩性，然后将砾岩细分为含砂砾岩、砂质砾岩两小类，将砂岩细分为中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩、炭质砂岩四小类，以岩性稳定岩性段的岩心、薄片定名为基础(表2)，建立不同岩性测井响应识别图版，最终实现基于常规测井的含钙砂砾岩地层四大类八小类岩性识别。识别流程如图1所示。

续表1

表2 各岩石类型样本类型及数量Table 2 Type and quantity of samples of each rock type

图1 含钙砂砾岩地层测井岩性识别流程图Fig.1 Logging lithology identification flow chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

2 元坝须三段地层岩石类型测井识别方法

2.1 煤、泥岩测井识别方法

元坝地区须三段泥岩普遍发育，多口井取心见煤，由于煤、泥岩很少进行薄片鉴定，以岩心描述为大段煤、泥岩的典型段为标准，建立煤、泥岩常规测井识别方法。煤呈低密度、高声波、较高中子、易扩径特征，易于识别。采用密度-声波时差交会图可识别煤，如图2所示。

图2 含钙砂砾岩地层煤识别图版Fig.2 Coal identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图2可见，煤位于密度-声波时差交会图左上角。煤密度为1 300 kg/m3,低于石英砂岩骨架密度(2 650 kg/m3)，密度大幅降低是煤的主要测井特征；煤纵波速度为2 168 m/s，低于细砂岩纵波速度(4 819 m/s)[18]，声波时差增大是煤的另一测井特征。因此以密度测井值小于2 450 kg/m3，声波时差大于300 μs/m为标准，可识别煤。

泥岩呈高伽马、高中子、低电阻特征。采用图2所示煤识别图版去除煤后，采用伽马-中子交会图可初步识别泥岩，如图3所示。

图3 含钙砂砾岩地层泥岩初步识别图版Fig.3 Shale preliminary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图3可见，泥岩位于伽马-中子交会图右上角。泥岩颗粒细，沉积过程中吸附大量放射性元素，自然伽马测井值高；束缚水含量高，中子测井值大。因此可以自然伽马测井值大于65 API，中子测井值大于10%初步判别泥岩。

然而，由于非碳酸盐岩岩屑(火成岩岩屑、变质岩岩屑)放射性强于碳酸盐岩岩屑，常规岩屑砂岩自然伽马测井值大于钙屑砂岩，一部分常规岩屑砂岩混入泥岩范围(图3)；粉、细砂岩粒度细，比表面积大，放射性矿物吸附能力强，且亲水颗粒薄膜水多，一部分钙屑粉、细砂岩混入泥岩范围(图3)。因此引入声波、电阻率约束条件，采用声波-电阻率交会图进一步识别泥岩，如图4所示。

图4 含钙砂砾岩地层泥岩二次判别图版Fig.4 Shale secondary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图4可见，泥岩位于声波-电阻率交会图右下角。泥岩相对于混入图4的常规岩屑砂岩、钙屑粉、细砂岩等砂岩更为疏松，纵波速度慢，声波时差高，且电阻率略低。采用电阻率小于85 Ω·m，声波时差大于194 μs/m为标准可以进一步确定泥岩。

2.2 砾岩分类及测井识别方法

元坝须三段砾岩广泛发育，薄片鉴定表明，须三段砾岩砾石含量为50%～95%，磨圆度高，多呈次圆-次椭圆状，主要由粉晶白云岩、泥晶白云岩组成，次为粉晶灰岩等；砾间充填物多为碳酸盐，由方解石和白云石组成，呈粉晶-细晶状，砂质含量多在5%以下，偶见长石。由于砾石周围多发育砾缘缝，改善了储层渗透性[19]，渗透率高于其他岩石类型，因此有必要开展砾岩测井识别，确定有利储层。

砾岩呈高电阻、低伽马、高密度特征，在识别煤、泥岩后，采用自然伽马-电阻率交会图可直观识别较为典型的高阻砾岩，如图5所示。

由图5可见，高阻砾岩位于自然伽马-电阻率交会图上部。砾岩致密，孔隙度、含水率低，以骨架导电为主，加之须三段砾石多由碳酸盐岩构成，导致砾岩电阻率高。采用电阻率大于8 100 Ω·m为标准，可识别砾岩中的典型高阻砾岩。

然而，部分砾岩段黄铁矿、褐铁矿发育或泥质胶结、束缚水导电明显，电阻率降低(大于300 Ω·m小于8 100 Ω·m)，混入砂岩范围。因此在识别典型高阻砾岩后，引入中子、密度、伽马约束条件，采用声波-中子交会图及伽马-密度交会图对混入砂岩范围的中-高阻砾岩进行识别，如图6、图7所示。

图6 含钙砂砾岩地层中-高阻砾岩初步识别图版Fig.6 Medium-high resistivity conglomerate preliminary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图6可见，含黄铁矿或泥质胶结的中-高阻砾岩呈低中子测井值特征。虽然黄铁矿等导电矿物或泥质胶结物导电导致砾岩电阻率降低，但砾岩依然比大部分砂岩致密，中子测井值低于砂岩，可用中子测井值小于4.2%初步识别混入砂岩中的砾岩。然而仍有部分致密低中子测井值的砂岩混入中-高阻砾岩区域，如图6所示。因此再引入伽马、密度约束条件，进一步区分中-高阻砾岩及混入中-高阻砾岩区域的砂岩，如图7所示。

由图7可见，中-高阻砾岩位于伽马-密度交会图右上角，呈现高密度、高伽马特征。须三段砾岩为碳酸盐岩砾，主要成分为方解石(密度2 710 kg/m3)、白云石(密度2 880 kg/m3)[20]，砾石密度大于砂岩骨架(密度2 650 kg/m3)[21];典型高阻砾岩低伽马，而电阻率较低的中-高阻砾岩多含有导电泥质，自然伽马增大，呈相对高值(28～44 API)。采用图7中密度与自然伽马值关系可以区分中-高阻砾岩与砂岩。

采用多级交会图识别高阻砾岩、中-高阻砾岩后，可根据中子-电阻率交会图进一步判定砾石含量，划分含砂砾岩及砂质砾岩，如图8所示。

图8 含钙砂砾岩地层含砂砾岩、砂质砾岩识别图版Fig.8 Sand-bearing conglomerate and sandy conglomerate identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图8可见，砂质砾岩分布于中子-电阻率交会图右下角。随砂质含量的增高，砾岩致密度降低，孔隙度增大，束缚流体增加，电阻率降低，中子测井值增大。采用中子测井值3%，电阻率10 500 Ω·m为标准可将砾岩划分为含砂砾岩和砂质砾岩。

2.3 砂岩分类及测井识别方法

钙屑砂岩为须三段主要储层类型[22]。钙屑砂岩钙质含量高，在埋藏过程中受煤层中有机质裂解产生的有机酸溶蚀强烈，发育大量粒间溶孔及杂基微孔，物性较好，有利于油气储集；加之钙屑砂岩脆性高，构造变形过程中易于形成裂缝，为油气运移提供了有利条件，因此钙屑砂岩为须三段最有利的岩石类型。在采用上述方法识别煤、泥岩、砾岩后，将砂岩分为炭质砂岩、中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩四类，进行测井识别，以确定有利岩性段的组分、粒度特征。

炭质砂岩呈较低密度、较高声波、较高中子测井特征。基于伽马-声波时差交会图，易于识别炭质砂岩，如图9所示。

由图9可见，炭质砂岩分布于伽马-声波交会图左上角。炭质纵波速度小于砂岩骨架、放射性弱，炭质砂岩声波时差大、自然伽马低，可伽马小于50 API、声波时差大于205 μs/m为标准识别炭质砂岩。

图9 含钙砂砾岩地层炭质砂岩识别图版Fig.9 Carbonaceous sandstone identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

钙屑砂岩相对于常规岩屑砂岩呈较高电阻、较低伽马、较高密度特征。结合粒度分类标准将钙屑砂岩分为中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩及钙屑粉砂岩。这三类钙屑砂岩随粒度变细，自然伽马升高，中子测井值增大，电阻率降低，原因如第1节所述。火成岩、变质岩岩屑放射性、电导率大于碳酸盐岩岩屑，相同粒度的常规岩屑砂岩自然伽马高于钙屑砂岩、电阻率低于钙屑砂岩。因此钙屑粉砂岩与常规岩屑砂岩测井响应类似，难以区分。同时钙屑粉砂岩、常规岩屑砂岩均不是有利储层，故将钙屑粉砂岩与常规岩屑砂岩合并为一类进行识别。砂岩岩性细分图版如图10所示。

图10 含钙砂砾岩地层砂岩岩性细分图版Fig.10 Sandstone lithographic subdivision chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由图10可知，须三段最有利的中-粗粒钙屑砂岩[23]主要位于伽马-电阻率交会图的高电阻部分，细粒钙屑砂岩位于低电阻、低伽马部分，钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩位于低电阻、高伽马部分。中-粗粒钙屑砂岩钙质含量高、粒度粗、毛管半径大、含水量低，呈高阻特征；细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩含水量高，呈低阻特征，以电阻率大于1 000 Ω·m为标准可识别中-粗粒钙屑砂岩；碳酸盐岩岩屑相对火山岩岩屑、变质岩岩屑放射性弱，细粒钙屑砂岩呈低伽马特征；钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩呈高伽马特征，以伽马小于42 API为界可识别细粒钙屑砂岩。

3 应用效果

将该方法应用于四川盆地元坝气田须三段致密含钙砂砾岩地层，识别结果与薄片定名、岩心描述具有较好的对应性。以M1井为例进行说明，如图11所示。

图11 M1井岩性解释成果图Fig.11 Lithology processing result in well M1

图11为M1井测井解释岩性与薄片、岩心岩性对比图。图中第7道为本文方法识别的岩性(连续曲线)与薄片鉴定岩性(杆状数据)对比道，第8道为岩心描述道。对于4 563～4 569.4 m取芯段，上部薄片定名以中-粗粒钙屑砂岩为主，夹少量细粒钙屑砂岩，岩心描述为钙屑细砂岩，本文方法识别为中-粗粒钙屑砂岩；中部薄片定名为含砂砾岩，岩心描述为中砾岩，本文方法识别为含砂砾岩；下部为泥岩，本文方法识别为泥岩，该取芯段本方法识别岩性与薄片定名结果一致。对于4 578.1～4 579.2 m取芯段，上部薄片定名为中-粗粒钙屑砂岩，岩心描述为钙屑细砂岩，本文方法识别为中-粗粒钙屑砂岩，下部薄片定名为含砂砾岩，岩心描述为中砾岩，本方法识别为含砂砾岩，该取芯段本方法识别岩性与薄片定名一致。

4 结论

归纳了致密含钙砂砾岩地层主要岩石类型和定名标准，并给出了各岩石类型的典型岩心照片、成像测井、常规测井响应特征及机理。通过多级交会图技术，建立了煤、泥岩、砾岩、砂岩四大类岩性常规测井识别方法，然后将砾岩分为含砂砾岩和砂质砾岩两小类，将砂岩分为炭质砂岩、中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩四小类，分析了各小类岩性测井响应特征，结合矿物组分、粒度、胶结物类型等因素分析了各小类岩性测井响应差异原因。最终建立了基于多级交会图的含钙致密砂砾岩地层四大类八小类岩石类型常规测井识别方法，并将该方法实际应用，得到以下结论。

(1)致密含钙砂砾岩地层岩石类型多样，依据各岩石类型测井响应差异，可将含钙砂砾岩地层岩石类型划分为煤、泥岩、砾岩、砂岩四大类，进一步划分为煤、泥岩、含砂砾岩、砂质砾岩、炭质砂岩、中-粗粒钙屑砂岩、细粒钙屑砂岩、钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩八小类，以进行测井识别。

(2)典型砾岩呈高阻特征；部分砾岩由于含黄铁矿等导电矿物或泥质胶结，电阻率较低。但该类中-高阻砾岩相对于纯砂岩更致密，密度更高，放射性略强，可结合中子、密度、伽马测井对该类砾岩逐级识别。可采用中子测井值及电阻率将砾岩分为含砂砾岩及砂质砾岩。

(3)中-粗粒钙屑砂岩呈高阻特征，识别出砂岩后，可依据电阻率确定中-粗粒钙屑砂岩，然后依据伽马划分细粒钙屑砂岩及钙屑粉砂岩-常规岩屑砂岩，确定有利储层。

实际应用表明，该方法识别的岩性与薄片定名、岩心描述吻合较好。该致密含钙砂砾岩地层岩石类型分类方案及各岩石类型测井识别方法，在对识别界限进行调整后，可在致密含钙砂砾岩地层中推广应用。